Hepatectomy, living donor liver transplantations and other major hepatic interventions rely on precise calculation of the total, remnant and graft liver volume. However, liver volume might differ between the pre- and intraoperative situation. To model liver volume changes and develop and validate such pre- and intraoperative assistance systems, exact information about the influence of lung ventilation and intraoperative surgical state on liver volume is essential. This study assessed the effects of respiratory phase, pneumoperitoneum for laparoscopy, and laparotomy on liver volume in a live porcine model. Nine CT scans were conducted per pig (N = 10), each for all possible combinations of the three operative (native, pneumoperitoneum and laparotomy) and respiratory states (expiration, middle inspiration and deep inspiration). Manual segmentations of the liver were generated and converted to a mesh model, and the corresponding liver volumes were calculated. With pneumoperitoneum the liver volume decreased on average by 13.2% (112.7 ml ± 63.8 ml, p < 0.0001) and after laparotomy by 7.3% (62.0 ml ± 65.7 ml, p = 0.0001) compared to native state. From expiration to middle inspiration the liver volume increased on average by 4.1% (31.1 ml ± 55.8 ml, p = 0.166) and from expiration to deep inspiration by 7.2% (54.7 ml ± 51.8 ml, p = 0.007). Considerable changes in liver volume change were caused by pneumoperitoneum, laparotomy and respiration. These findings provide knowledge for the refinement of available preoperative simulation and operation planning and help to adjust preoperative imaging parameters to best suit the intraoperative situation.

BACKGROUND:Different types of mitral annuloplasty rings are commercially available. The aim of this study was to investigate the effect of implantation of six types of annuloplasty rings on the geometry and dynamics of the mitral valve.METHODS:Three-dimensional echocardiography images of 42 patients were acquired to visualize the mitral valve annulus. Virtual representations of six commercially available annuloplasty rings were matched to anatomical mitral annuli of each patient according to anterolateral-posteromedial diameter. The virtual displacement of each annuloplasty ring after the implantation was measured and compared with the other rings.RESULTS:Patients with severe mitral regurgitation had significantly dilated annuli according to anterolateral-posteromedial diameter, anterior-posterior diameter and to annulus circumference. Anterior and posterior heights of the mitral annuli and non-planarity angle showed no significant differences among different patients with different degree of mitral regurgitation. The ratio of anterior-posterior to anterolateral-posteromedial diameter was almost identical in all groups with identical annular shapes. The implantation of the Carpentier-Edwards Classic Annuloplasty Ring™ led to maximal displacement of mitral annulus, followed by the IM-Ring™, without a statistical significance. In contrary, the implantation of a MyxoETlogix Ring™ was associated with minimal displacement of mitral annulus throughout the groups, but without statistical significance.CONCLUSIONS:The implantation of different ring types in patients with different annuli shapes and dimensions did not lead to any significant change in the configuration of mitral annuli after the virtual implantation of the tested annuloplasty rings.

Ring sizing for mitral valve annuloplasty is conventionally done intraoperatively using specific ‘sizer’ instruments, which are placed onto the valve tissue. This approach is barely reproducible since different sizing strategies have been established among surgeons. The goal of this study is to virtually apply different sizing methods on the basis of pre-repair echocardiography to find out basic differences between sizing strategies.

Over 40,000 annuloplasty rings are implanted each year in the USA to treat mitral regurgitation. However, the used measuring techniques to select a suitable annuloplasty ring are imprecise and highly depending on the expert’s experience. This can cause a re-occurrence of the mitral regurgitation or an annuloplasty ring dehiscence, and thus the necessity of a re-operation. We propose a method to create a 4D model of the mitral annulus from ultrasound data to enable precise measurement and patient-specific implant planning.

Mitralinsuffizienz ist eine weit verbreitete Krankheit, welche durch die Implantation von Annuloplastieringen behandelt werden kann. Die Wahl eines geeigneten Ringes gestaltet sich aufgrund uneindeutiger Mess- und Selektionskriterien jedoch schwierig. Durch das vorgestellte Verfahren zur patientenspezifischen Gestaltung von Annuloplastieringen wird eine gute Passgenauigkeit gewährleistet. Das individuelle Ringdesign ermöglicht eine geringere maximale Deformation des Mitralannulus über den Herzzyklus gegenüber den untersuchten kommerziellen Ringe, wodurch die Gefahr einer Ringdehinszenz gemindert werden kann. Durch die Herstellung eines entsprechenden implantierfähigen Annuloplastierings mit Hilfe von Rapid-Prototyping Technologien wird zus ätzlich gezeigt, dass eine Einbindung in die Klinik zeitlich und preislich vertretbar ist.

Bei einer OP-Indikation für Mitralklappeninsuffizienz ist die Beurteilung der Pathophysiologie ausschlaggebend, um eine geeignete chirurgische Technik auszuwählen. Eine dieser Techniken stellt das Einnähen eines Annuloplastie-Ringmodells dar, welches in verschiedenen Größen und Formen kommerziell erhältlich ist. Die intraoperative Ringselektion beschränkt sich bisher auf visuelle Begutachtung und auf einfache manuelle Messmethoden. Diese erlauben jedoch keine akkurate Messung der komplexen dreidimensionalen Anatomie der Mitralklappe. Wir schlagen eine neue intraoperativ durchführbare computerassistierte Messmethode vor. Mit Hilfe eines optisch getrackten Zeigeinstrumentes wird die Geometrie der Mitralklappe vermessen. Dabei werden 16 anatomische Landmarken auf dem Mitralapparat angefahren. In einer Studie wiederholten vier Herzchirurgen die Vermessungen jeweils drei mal an einem frisch exzidierten Schweineherz. Anschließend wurden 14 verschiedene Standard-Ringformen mit dem vermessenen Annulus verglichen unter Benutzung einer eigenen automatischen Analyse-Software. In 11 von 12 Fällen wurde der Carpentier-Edwards Physio-Ring als Ring mit der geringsten Abweichung vorgeschlagen. Dies zeigt, dass das Messverfahren eine stabile Ringselektion ermöglicht.

Die gegenwärtigen Methoden zur Bestimmung der Ringgröße und -form bei Mitralklappenanuloplastien sind semiquantitativ und unterliegen oft der subjektiven Einschätzung des Operateurs. Hierzu ist große chirurgische Erfahrung erforderlich.

OBJECTIVES:Transesophageal echocardiography has become a standard tool for evaluating left ventricular function during cardiac surgery. However, the image quality varies widely between patients and examinations. The aim of this study was to investigate the influence of the image quality on 5 commonly used 2-dimensional methods. METHODS:Transesophageal real-time 3-dimensional echocardiography (3DE) served as a reference. Left ventricular function was evaluated in 63 patients with sufficient real-time 3DE image quality. The image quality was rated using the ratio of the visualized border divided by the total endocardial border. These ratings were used to generate groups of poor (0%-40%), fair (41%-70%), and good (71%-100%) image quality. The ejection fraction (EF), end-diastolic volume, and end-systolic volume were analyzed by the Simpson method of disks (biplane and monoplane), eyeball method, Teichholz method, and speckle-tracking method. Furthermore, the fractional area change was determined. Each correlation with real-time 3DE was evaluated. RESULTS:Correlations of the EF and volumes, respectively, as determined by long-axis view methods increased with improving image quality: the Simpson biplane method was found to be the most accurate method, with good image quality for the EF (r = 0.946) and volumes (end-diastolic volume, r = 0.962; end-systolic volume, r = 0.989). Correlations of the EF and fractional area change by short-axis view methods decreased with improving image quality, with the Teichholz EF found to be most accurate with poor (r = 0.928) in contrast to good (r = 0.699) image quality. CONCLUSIONS:With good image quality, the Simpson biplane method is the most accurate 2-dimensional method for assessing the left ventricular EF. Short-axis view methods, especially the Teichholz method yield better correlations with poor image quality. The eyeball method was unaffected by image quality.

Over 40.000 mitral reconstructions are performed each year in the United States. To ensure a successful and durable outcome of the operation, detailed quantification of the mitral annulus is helpful. However, manual measurement is time consuming and hard to perform in clinical routine. We propose a fast semi-automatic method to create a precise model of the mitral annulus from 3D ultrasound data. The basic idea is to combine image information with anatomical knowledge in form of a standard mitral annulus model. This way, the method can adjust to the individual image data and still cope with strong artifacts and incomplete images. By comparing the resulting models to manually created ground truth data of 39 patients, we identified a mean error of 3.49 mm. This is lower than the determined standard deviation of the expert (4.13 mm) and confirms the accuracy of the proposed method. The overall time to create a mitral annulus model from 3D ultrasound image data is less than a minute. Due to its speed, accuracy and robustness, the method is eligible for the clinical routine.

Transesophageal echocardiography is recommended to monitor left ventricular (LV) size and function in various operations. Generally, two‐dimensional (2D) methods are applied intraoperatively. The aim of this study was to compare the accuracy and feasibility of 6 commonly used 2D methods to assess LV function during surgery. LV function in 120 consecutive patients was evaluated. Real time three‐dimensional transesophageal echocardiograpy (3DTEE) served as reference. End‐diastolic and end‐systolic volumes and ejection fraction (EF) were analyzed with Simpson's method of discs (monoplane [MP] and biplane [BP]), eyeball method, Teichholz' method, and speckle tracking (ST) methods. Furthermore, fractional area change (FAC) and peak systolic pressure rise (dP/dt) were determined. Each 2D method was evaluated regarding correlation and agreement with 3DE, intra‐ and interobserver variability and the time required for evaluation. Simpson BP showed the strongest correlation and best agreement with 3DE for EF (limits of agreement 3.7 ± 11.6%) and volumes. Simpson MP showed similar agreement with 3DE compared to ST (2.8 ± 14.5% vs. 2.0 ± 15.3% and 3.8 ± 14.4% vs. 1.9 ± 15.6%, respectively). Both the eyeball method and Teichholz' method showed wide limits of agreement (−1.5 ± 18.2% and 5.2 ± 22.1%, respectively). DP/dt did not correlate with 3DE. FAC and ST FAC showed similar agreement. Application of 3DE (429 ± 108 seconds) took the longest time, and the eyeball method took the shortest time (8 ± 5 seconds) for analysis. Simpson BP is the most accurate intraoperative 2D method to evaluate LV function, followed by long‐axis MP evaluations. Short‐axis views were less accurate but may be suited for monitoring. We do not recommend using dP/dt.

Hien, M.; Graser, B.; Grossgasteiger, M.; Rosendal, C.; Motsch, J.; Rauch, H. Research Training Group 1126 (DFG) Author Information

Over 40.000 annuloplasty rings are implanted each year in the United States to treat mitral regurgitation. The rings come in different sizes and shapes. However it is unclear, which ring is most suitable for the individual patient. Here we present a preoperative annuloplasty planning software to determine an eligible ring. It provides fast interactive methods to create 4D mitral annulus models based on arbitrary image data. Created models can be analyzed geometrically and compared to existing annuloplasty ring models. This way, forces caused by a specific annuloplasty ring can visualized, which enables preoperative simulation and eventually improves operation results. Using our software, we evaluated the size changes caused by five commercially available annuloplasty rings on the mitral annuli of 39 patients. The results suggest that the annuloplasty ring should be selected for each patient specifically.

Mitralklappeninsuffizienz (MI) ist eine weit verbreitete Erkrankung. Für eine erfolgreiche und nachhaltige chirurgische Therapie ist die Ausmessung des Mitralannulus (MA) notwendig. Wir stellen eine Methode zur automatischen Bestimmung des MA Durchmessers auf Basis von Live-3D Ultraschall Daten vor, die zusätzlich für jeden Zeitschritt den Herzzyklus detektiert. Dies erreichen wir hauptsächlich durch die Verwendung von Graph Cut Segmentierung und morphologischen Operationen. Die Evaluation anhand von 13 Patienten zeigt, dass der Herzzyklus in 78

Über 40.000 Mitralklappen Rekonstruktionen werden jedes Jahr in den Vereinigten Staaten durchgeführt. Dabei ist eine genaue Quantifizierung des Mitral Annulus erforderlich. Manuelle Vermessungen benötigen viel Zeit, die besonders in der klinischen Routine sehr wertvoll ist. Wir stellen eine Methode zur semi-automatischen Modellierung und Quantifizierung des Mitral Annulus anhand von 3D Ultraschall Daten vor. Dabei werden Bildinformationen zusammen mit an atomischem Wissen in Form eines Standardmodells genutzt, um selbst in stark verrauschten und unvollständigen Bilddaten ein gutes Ergebnis zu erzielen. Die Methode wurde an Ultraschalldaten von 39 Patienten evaluiert, wobei festgestellt wurde, dass die erzeugten Modelle lediglich um 0.5 mm von der Intra-Observer Variabilität des Experten abweichen. Dabei benötigt die vollständige Durchführung der Methode weniger als eine Minute pro 3D Datensatz. Schlüsselworte: Mitralklappeninsuffizienz, Mitral Annulus, 3D, Ultraschall 1 Problem Mitralklappeninsuffizienz ist eine weit verbreitete Krankheit. Studien aus den USA zeigen, dass ca. 2% der Gesamtbevölkerung betroffen ist. In schwerwiegenden Fällen ist ein chirurgischer Eingriff notwendig, bei dem die Mitralklappe rekonstruiert wird. Hierbei spielt die Form und die Größe des Mitral Annulus (MA) eine wichtige Rolle. Für die manuelle präoperative Vermessung kann 3D Ultraschall verwendet werden. Jedoch ist der zeitliche Aufwand hierfür sehr hoch. Für die klinische Routine werden schnelle Messverfahren benötigt. Schneider et al stellten einen semi-automatischen Ansatz zur Erstellung eines Mitralklappenmodells vor, basierend auf Graphcut und aktiven Konturen. Weitere Ansätze wurden von Ionasec et al und Voigt et al entwickelt, welche beide auf maschinellem Lernen basieren. Im Folgenden stellen wir einen modellbasierten Ansatz zur Erzeugung eines MA Modells vor, der selbst auf stark verrauschten 3D Ultraschallbildern schnelle und präzise Quantifizierung ermöglicht. 2 Methoden Die Grundidee ist die Verwendung von anatomischem Wissen bei der Lokalisierung des MA in den Bilddaten. Dieses Wissen wird repräsentiert mit einem Standard Modell, das auf Expertenwissen und anatomischer Literatur basiert. Das Modell besteht aus 16 Punkten, die mit Hilfe von Subdivisions Kurven zu einer rundlichen Form verbunden werden. Im ersten Schritt wird das Modell initial platziert. Dazu wird zunächst Rauschen aus dem Bild herausgefiltert mit Hilfe eines Total Variation Filters. Anschließend werden zwei anatomisch deutlich definierte Punkte, die beiden Kommissurpunkte des MA, durch den Arzt interaktiv ausgewählt. Größe und Position des initialen Modells können dadurch bestimmt werden. Die Lage des Modells im Raum wird automatisch festgelegt, indem mehrere realistische Orientierungen des MA anhand ihrer Pixelintensitäten an den 16 Modellpunkten auf Plausibilität bewertet werden. Der zweite Schritt ist die automatische Optimierung des initialen Modells. Hierbei werden iterativ zwei Arten von Kräften berechnet, die auf das Modell wirken und es verformen. Die externen Kräfte und die internen Kräfte. Die externen Kräfte passen das Modell an die Bilddaten an. Dabei wird für jeden der 16 Modellpunkte ein Verschiebungsvektor berechnet, der zum hellsten Pixel in der näheren Umgebung des Punktes zeigt. Zusätzlich werden zwei Faktoren berücksichtigt, die die Wahrscheinlichkeit für Fehldetektionen ausdrücken. Dies ist zum einen die Entfernung zum hellsten Pixel und zum anderen die Nähe dieses Pixels zum Bildrand. Je weiter das Pixel entfernt ist, desto wahrscheinlicher ist eine Fehldetektion. Zudem ist

Atmung, Lagerung und chirurgische Manipulation verändern Form, Größe und Lage der Leber. Diese Studie untersucht den Einfluss von Beatmung und operativem Zustand auf das Lebervolumen. Im Schweinemodell wurden in drei operativen Zuständen (Nativ, Laparotomiert, Pneumoperitoneum) jeweils für drei Atemstellungen (Expiration, Atemmittellage, volle Inspiration) CT-Bilddaten aufgenommen und das Lebervolumen berechnet. Nach Laparotomie verkleinerte sich das Lebervolumen im Mittel um 10%, bei Pneumoperitoneum um 16%. Das Lebervolumen stieg mit der Inspiration in allen operativen Zuständen unterschiedlich stark an. Die Studie zeigt, dass Veränderungen des Lebervolumens durch Atmung und operativen Zustand bei der Verwendung präoperativer Bilddaten zur Operationsplanung und intraoperativen Computerassistenz beachtet werden müssen. Schlüsselworte: Operationsplanung, Tiermodell, Weichteilchirurgie, Navigation 1 Problem Bei chirurgischen und minimalinvasiven Eingriffen an der Leber ist die Verwendung präoperativer Bilddaten zur Operationsplanung und intraoperativen Navigation sinnvoll. Die Präzision ist jedoch durch Organdeformation vermindert. Die Leber ändert sich in Form, Größe und Lage durch die Atmung, Lagerung, den operativen Zustand, sowie durch chirurgische Manipulation. Ziel dieser Studie ist die Quantifizierung des Einflusses der Atmung bzw. der Beatmung während einer Operation und des operativen Zustandes auf das Lebervolumen. Es sollen mehrere Atemstellungenverglichen werden und der Einfluss des bei der Laparoskopie notwendigen Pneumoperitoneums und der Laparotomie auf die Größe und Größenänderung der Leber untersucht werden. Die Untersuchungen finden in einem experimentellen Großtiermodell mit dem Menschen ähnlicher Organgröße und-Anatomie statt. 2 Methoden Die Versuche wurden am Schweinemodell (n = 5, 20-34 kg) durchgeführt. Die Tiere waren unter Vollnarkose und maschineller Beatmung in 0°-Rückenlage auf einer Vakuummatratze positioniert. Die CT-Bilder (Siemens SOMATOM Sensation TM ) wurden in den drei verschiedenen Zuständen (Nativ, Laparotomiert, mit Pneumoperitoneum) jeweils für drei verschiedene respiratorische Stellungen aufgenommen (Expiration, Atemmittellage, volle Inspiration) (Abbildung 1). Die Bilddaten wurden manuell segmentiert mittels des Medical Imaging Interaction Toolkit (MITK) (Abbildung 2). Die Volumina der segmentierten Leber wurden auf zwei Arten gemessen. Erstens durch eine voxelbasierte Berechnung mithilfe des Medical Imaging Toolkit (MITK). Bei der zweiten Methode wurde zuerst mittels des MITK ein MeshModell der segmentierten Leber erstellt und dann mittels MeshLab das Mesh-Volumen errechnet. Die Daten wurden mit einer hierarchischen linearen Regression ausgewertet [1]. Untersucht wurde der Einfluss des operativen Zustands 11. CURAC-Jahrestagung, 15.-16. November 2012, Düsseldorf

Mitral regurgitation is a wide spread problem. For successful surgical treatment quantification of the mitral annulus, especially its diameter, is essential. Time resolved 3D transesophageal echocardiography (TEE) is suitable for this task. Yet, manual measurement in four dimensions is extremely time consuming, which confirms the need for automatic quantification methods. The method we propose is capable of automatically detecting the cardiac cycle (systole or diastole) for each time step and measuring the mitral annulus diameter. This is done using total variation noise filtering, the graph cut segmentation algorithm and morphological operators. An evaluation took place using expert measurements on 4D TEE data of 13 patients. The cardiac cycle was detected correctly on 78% of all images and the mitral annulus diameter was measured with an average error of 3.08 mm. Its full automatic processing makes the method easy to use in the clinical workflow and it provides the surgeon with helpful information.